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璀璨絢麗的星云圖片,是真的嗎?
查字典地理網(wǎng) 來源|2016-10-09 發(fā)表|教學(xué)分類:地理科普

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【科學(xué)世界博主原創(chuàng),轉(zhuǎn)載請注明】

昨天我們了解了人眼有許多局限,“眼見不一定為實(shí)”。同時,“眼不見,不一定不為實(shí)”。因為,大部分光線(電磁波),無法被人看見,卻能被其他動物和望遠(yuǎn)鏡捕捉到。這些看不見的光,包含了大量的信息。

今天就讓我們來看看,科學(xué)家是如何將望遠(yuǎn)鏡捕獲到的信息,變成絢麗多彩的圖片。

【原始圖片是黑白的】

你知道嗎,這些色彩斑斕的圖片,其實(shí)原始版本都是黑白的。為什么要使用黑白相機(jī)呢?這是因為黑白相機(jī)比彩色相機(jī)能達(dá)到的敏感度更高。如果要拍攝彩色照片,光探測器就必須把紅色、綠色和藍(lán)色的元素放在同一區(qū)域,這會影響圖片的分辨率。而黑白照片,可以讓哈勃望遠(yuǎn)鏡捕捉到更多的細(xì)節(jié)。

射入相機(jī)的光線需要經(jīng)過若干個不同的濾鏡,每個濾鏡對應(yīng)一張黑白照片。這些濾鏡裝在一個可以旋轉(zhuǎn)的輪狀結(jié)構(gòu)上,稱為濾鏡輪(Filter Wheel)。就像下面這樣子。這個是哈勃的NICMOS(近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀)的濾鏡輪,每個濾鏡輪有20個位置,裝有19個濾鏡以及1個空位。

哈勃NICMOS濾鏡輪示意圖

下面這個則是即將于2018年發(fā)射的詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope)上的近紅外照相機(jī)的濾鏡輪??雌饋砗芨叽笊稀?/p>

即將發(fā)射的James webb望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)濾鏡輪示意圖

【黑白的宇宙如何變彩色?】

通過濾鏡拍攝的幾張黑白照片,進(jìn)行上色后,再進(jìn)行混合,就變成了彩色圖片。

我們來看一個例子——NGC1512。

NGC1512是時鐘座的一個螺旋星系,發(fā)現(xiàn)于1826年。它流傳于世的照片非常驚艷:暗色的懸臂,盤繞在金色的主體,邊緣則閃爍著令人目眩的紫色光芒。其實(shí),這張圖片是由7張照片組合而成,分別由以下三個聚 焦在不同波段的相機(jī)拍攝:

1,F(xiàn)OC:暗天體照相機(jī)(Faint Object Camera)

2,WFPC2:第二代廣域和行星照相機(jī)(Wide Field and Planetary Camera 2)

3,NICMOS:近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀(Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer)

原始圖片

它們拍攝的照片和大致波段如下圖所示

三個相機(jī)拍攝的7張照片的波段示意圖

上色

然后科學(xué)家給這幾張圖片上色。為了保持圖像的真實(shí)和自然,紅外部分會用最紅的顏色表示,而紫外部分會用最紫和最藍(lán)的顏色表示。為了將不可見光的波段壓縮到窄窄的可見光波段中,勢必會改變可見光部分的色彩,比如,肉眼所見的紅色,這里被涂成了黃色。

上色以后的圖

組合

然后再把這幾張圖片組合起來,就形成了下面這張絢麗多姿的圖片。

組合以后的圖

【顏色是分析工具】

哈勃望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)家會用三種方式來給圖片上色:后兩種其實(shí)都是偽彩色。

1,自然色(Natural color):對光線太弱,肉眼難以看清的物體,會采用這種方式。最終的色彩與肉眼看上去的差別不大。

2,代表色(Representative Color):主要針對肉眼看不見的物體,比如發(fā)出紅外光和紫外光的物體??茖W(xué)家會用不同的顏色來代表不同的波段,然后進(jìn)行合成。

3,增強(qiáng)色(Enhanced Color):用顏色來突出那些容易被忽略的部分。

下面我們就通過幾個例子來具體看看這三種方式:

1,自然色:

Galaxy ESO 510-G13:這個星系的圖片由哈勃望遠(yuǎn)鏡于2001年拍攝,它以一種側(cè)向的姿態(tài)面對我們,展示了它扭曲的盤面。它剛剛經(jīng)歷了一場星系碰撞,重力扭曲了星系中的恒星、氣體和塵埃,形成了這種糾結(jié)的形狀。

下圖左側(cè)是波譜。可以看到,三張黑白照片處于不同的波段。三張照片上色混合以后,形成了右側(cè)的最終圖片。這張圖片和肉眼所見的差別不大。

2,代表色

還記得“卡西尼探測器”拍攝的這張宛若彩虹的土星光環(huán)嗎?這就是一張代表色圖片,肉眼所見的土星光環(huán)并不是這樣的。圖中藍(lán)綠色部分是較純凈的冰,紅色部分的冰成分更加復(fù)雜。

土星光環(huán)的代表色圖片

下面我們來看一張土星的代表色圖片。這是一張色彩十分詭異的土星偽彩色照片,由哈勃望遠(yuǎn)鏡的NICMOS拍攝于1998年,公布于哈勃望遠(yuǎn)鏡8歲生日之際。

我們印象中的土星都是淺黃色的,而這張照片竟然出現(xiàn)了紫色、藍(lán)色、綠色……可真是絢麗呢,但是美得有點(diǎn)不真實(shí)——這與肉眼所見的土星色彩差別也忒大了。那這張照片有什么意義呢?它的意義就在于,有助于科學(xué)家分析土星的大氣。

從左側(cè)的波譜中可以看到,這三張原始的黑白照片,都是紅外波段的圖像。我們用藍(lán)色代表波長最短的紅外光,紅色代表波長最長的紅外光,綠色代表波長適中的部分。而組合之后出現(xiàn)彩色條紋的原因,是由于土星上層大氣的化學(xué)組成不同,導(dǎo)致對太陽光的反射方式不同。

土星代表色圖像的生成過程

3,增強(qiáng)色

我們來看看哈勃于1995年拍攝的這張著名的“創(chuàng)生之柱”吧!

“創(chuàng)生之柱”位于老鷹星云。在這里,濃密的塵埃中正孕育著恒星。星云附近的新生恒星輻射出強(qiáng)烈的紫外線,使得星云發(fā)出可見光。

原始的三張黑白圖片是用了三個窄帶濾光鏡拍攝所得,分別對應(yīng)硫、氫、氧三個元素。在星云發(fā)出的可見光中,氫和硫發(fā)出紅光,氧發(fā)出綠色(如下圖所示,左側(cè)波譜中,上面兩張黑白圖片所對應(yīng)的兩個波段都位于可見光的紅色區(qū)域)。

由于氫原子和硫離子都發(fā)出紅光,如果用自然色來處理,將無法把二者分辨開。因此,科學(xué)家用綠色來代表本來發(fā)紅光的氫原子;更紅的是帶有兩個單位負(fù)電荷的硫離子,這部分保持紅色;而發(fā)出綠光的雙電離氧用藍(lán)色來代替。這樣處理之后,從視覺上增強(qiáng)了細(xì)節(jié),不同元素的分布一目了然。

在最終這張宏偉的圖片中,“創(chuàng)生之柱”周圍彌漫著的藍(lán)綠色薄霧代表氫和氧,而三根柱子略帶紅色,代表著其中密集的硫元素,創(chuàng)造出這幅美不勝收的圖片。

“創(chuàng)生之柱”增強(qiáng)色圖像的生成過程

對比一下,不經(jīng)過增強(qiáng)處理的圖是下面這樣。真是“萬里江山一片紅”啊,完全看不出氫和硫的分布范圍。

增強(qiáng)色處理前后的“創(chuàng)生之柱”圖像對比

所以說,哈勃望遠(yuǎn)鏡公布的這些圖片,和肉眼看到的并不完全一樣。許多圖片都經(jīng)過了偽彩色處理。色彩,就是科學(xué)家的分析工具,讓我們更好的了解宇宙中這些壯觀的存在。

今天就到這里~

明天,我們將不僅限于哈勃望遠(yuǎn)鏡,而是一同去看看,同一個星云,在不同的相機(jī)眼中,將是怎樣不同的景致。

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